ElastoDict ist ein leistungsfähiges Simulationsmodul zur Berechnung mechanischer Materialeigenschaften von Mikrostrukturen, auch unter Berücksichtigung thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Der GeoDict 2021 Release gestaltet den Arbeitsablauf bei der Materialentwicklung hinsichtlich Geschwindigkeit, Bedienbarkeit und Downsampling noch effizienter.

Was genau kann GeoDict im Bereich mechanischer und thermischer Materialeigenschaftsberechnung?

ElastoDict ist die nutzerfreundliche Schnittstelle zwischen dem FeelMath-Löser, anderen GeoDict-Tools und dem Nutzer. Der FeelMath-Löser wird seit 2011, in Kooperation mit der Math2Market GmbH, am Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern von Dr. Matthias Kabel und seinem Team entwickelt. Dieser leistungsstarke Solver ist durch die synergetische Kombination von fokussierter Forschung und langjähriger Erfahrung auf die Bedürfnisse von Anwendern aus den verschiedensten Anwendungsbereichen, Branchen und Industrien entstanden. ElastoDict verbindet die Fähigkeit zu komplexen Berechnungen auf hochaufgelösten Mikrostrukturen mit der gewohnt einfachen Bedienung von GeoDict. Dadurch stehen dem Nutzer vielfältige Eigenschaftsvorhersagen zur Verfügung, die schnell und bequem aufgesetzt werden können. 

ElastoDict ist darauf spezialisiert mechanische Materialeigenschaften auf hochaufgelösten Mikrostrukturen unter Berücksichtigung thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu berechnen. Diese Mikrostrukturen können aus 3D-Bilddaten und GeoDict-Mikrostrukturmodellen bestehen. 3D Bilddaten lassen sich per ImportGeo-Vol in GeoDict importieren, nachbearbeiten und segmentieren. So können Sie eine exakte digitale Repräsentation des vorhandenen Materials (der sogenannte statistische digitale Zwilling) in GeoDict analysieren. Auf diesem statistischen digitalen Zwilling lassen sich dann durch digitale Modifikation der Versuchsbedingungen verschiedenste Experimente durchführen. 

Anders als bei Lösern, die auf finiten Elementen (FE) basieren, berechnen die GeoDict-Löser direkt auf den 3D-Bilddaten - den Voxeln - und benötigen dadurch kein zusätzliches Vernetzen der Struktur. Die Berechnungen finden direkt auf den numerischen Daten der Voxeln statt. Diese numerischen Daten sind zum einen Informationen über das Material selbst und zum anderen Informationen über den aktuellen Zustand des Materials während den Simulationen. Bei einer Mikrostruktur mit 4000 x 4000 x 4000 Voxeln erhält man 64 Milliarde Datenzellen, jede selbst gefüllt mit Informationen. Trotz dieser Milliarden von Daten können Eigenschaftsberechnungen durch GeoDicts optimierte Löser schnell, speichereffizient und präzise berechnet werden. Das erlaubt dem Nutzer auf detaillierten, hochaufgelösten und filigranen Mikrostrukturen zu rechnen.

Diese besondere Kombination von Stärken macht ElastoDict auf den kommerziellen Markt der mechanischen Simulatoren mit Finite-Volumen-Lösern einzigartig. 
Im Berechnungs-Portfolio von ElastoDict befinden sich unter anderem Materialeigenschaftsvorhersagen für:

  • Steifigkeit und Steifigkeitstensor
  • Transversal isotrope und orthotrope Eigenschaften
  • Lineare Deformation
  • Nichtlineare / plastische Deformation
  • Thermische Ausdehnung
  • Spannungs-Dehungs-Kurven
  • Materialschädigung
  • Materialversagen

Besonders beim Berechnen von nichtlinearen, plastischen Deformationen setzt ElastoDict mit dem FeelMath-Löser Standards. ElastoDict nutzt dabei die GeoDict-Materialdatenbank, die zum Basispaket von GeoDict gehört. In dieser sind bereits zahlreiche gängige Materialmodelle vordefiniert und stehen Ihnen direkt zur Verfügung. ElastoDict bestimmt anhand der Eigenschaftsfunktionen der Materialmodelle das Materialverhalten bei mechanischen Eigenschaftsberechnungen. Leicht lassen sich auch eigene Materialmodelle in der Materialdatenbank erstellen und mit Kollegen, Teams und Abteilungen firmenweit teilen.

Für Sie ist die ElastoDict-Berechnung noch nicht das Ende der Materialeigenschaftsanalyse? Mit ElastoDict befindet sich der Nutzer nach wie vor im gewohnten GeoDict-Ökosystem. Eine Kombination von weiterführenden Analysen und Simulationen in Verbindung mit ElastoDict stellen wir Ihnen gerne im nächsten Abschnitt vor.

ElastoDict überall flexibel anwenden

ElastoDict lässt sich so in viele Prozesse der Materialentwicklungskette einbinden. Bei den nachfolgenden Anwendungen handelt es sich um Beispiele aus der Praxis. 

Nutzen Sie ImportGeo-Vol, um Ihre Bilddaten von vorhandenen Materialien in GeoDict zu segmentieren und zu analysieren. Sobald Sie Ihr Material in GeoDict importiert haben, können Sie die Vielfalt der verschiedenen Materialeigenschaftsberechnungen wie gewohnt nutzen. In den folgenden Beispielen spielt es keine Rolle, ob Sie Ihr Materialmodell in GeoDict importiert haben oder mit den Materialdesignmodulen, den Geo-Modulen, erstellt haben. Alle Materialeigenschaftsberechnungen stehen Ihnen zur Verfügung.

Mit ElastoDict können Sie feststellen, welche Effekte die Kompression der Gas-Diffusionsschicht (GDL) während der Produktion auf die Performance Ihrer Brennstoffzelle hat. Kombinieren Sie ElastoDict zum Beispiel mit FlowDict und berechnen Sie, wie sich verschiedene Kompressionsgrade auf die Strömungseigenschaften Ihrer GDL auswirken.

BatteryDict berechnen Ihnen den Ladefluss innerhalb Ihres Elektrodenmaterials. Mit ElastoDict lassen sich zusätzlich die thermischen Effekte, die Ausdehnung der Lithiumpartikel und die damit verbundenen Schädigungen, innerhalb des Elektrodenmaterial berechnen. So können Sie die Basisperformance Ihres Elektrodenmaterials bestimmen und die Lebensdauer vorhersagen.

In-Situ Laborexperimente sind aufwändig und dadurch stark fehleranfällig. Mit ElastoDict können Sie problemlos digital in-situ Bedingungen Ihrer Gesteinsprobe herstellen. Im Anschluss können Sie bequem das vollständige Digital Rock Physics (DRP) Analysepaket von GeoDict wie gewohnt nutzen.

Mit ElastoDict können Sie den Prozess des Kalandrierens, oder Walzung, an Ihren Geweben digital durchführen. Anschließend können Sie mit FlowDict und FilterDict die Materialeigenschaften berechnen und gegebenenfalls weitere Anpassungen vornehmen.

Es ist in Laborexperimenten schwierig herauszufinden, was genau im Inneren eines Schaumes passiert. GeoDict ermöglicht es Ihnen einen Blick in Ihr Material zu werfen, der Ihnen ansonsten verwehrt bliebe. Schneiden Sie digital in Ihre Mikrostruktur hinein und sehen Sie zu, wie sich Ihr Schaum während plastischer Deformationen verhält.

ElastoDict lässt sich auf eine Vielzahl von Materialien in den verschiedensten Branchen anwenden.

Hier einige Beispiele:   

  • Deformation von porösen Materialien 
  • Verpressen von Filzen
  • Komprimierung von Fasermaterialien
  • Strain, Stress, Schaden und Versagen in Verbundwerkstoffen
  • Belastungsvorhersagen für Bauteile aus der additiven Fertigung
  • ...

Verbesserungen in GeoDict 2021

Für GeoDict 2021 haben wir neben den kontinuierlichen und systematischen Verbesserungen besonders auf drei Aspekte in ElastoDict wert gelegt:

ElastoDict ist für nichtlineare, plastische Deformationen und thermische Expansionen signifikant schneller geworden. Besonders bei mechanischen Berechnungen für hochaufgelöste Schäume und Elektroden sparen Sie hier deutlich Zeit ein. Bei intern durchgeführten Benchmarks konnten wir eine Laufzeitreduzierung von bis zu 50% messen. 

ElastoDict ist, durch die Natur seines Anwendungsbereichs, ein facettenreiches und anspruchsvolles Modul. Unser Ziel ist es, seine Komplexität und seine Möglichkeiten in einer klaren, fehlerfreien Art und Weise zur Verfügung zu stellen, die dem Nutzer alle Möglichkeiten bietet und Fehler vermeidet. Im ElastoDict User-Interface von GeoDict 2021 haben wir neben den ständigen Anpassungen der Nutzerfreundlichkeit besonders an der Bedienbarkeit der Materialdatenbank gearbeitet. In der GeoDict-Materialdatenbank sind bereits viele gängige Materialien vordefiniert und stehen Ihnen zur Verfügung.

Basierend auf Forschungsveröffentlichungen und Erkenntnissen der jeweiligen Materialien sind ihr Verhalten, zum Beispiel für plastische Schädigung, als Materialgesetze festgelegt. So lassen sich zum Beispiel plastische Deformationen an Stahl oder Schaum schnell aufsetzen. In GeoDict lassen sich Messwerte direkt am Konstituentenmaterial in die Materialdatenbank eintragen. Mit GeoDict 2021 lassen sich anhand dieser Messwerte die Materialgesetze per Optimierungsalgorithmus in ein kohärentes Materialmodell anfitten. Insgesamt wird dadurch das Aufsetzen von Simulationen einfacher und verständlicher.

Das Downsampling in ElastoDict ist mit GeoDict 2021 einfacher zu benutzen und genauer in seiner Berechnung geworden. Was in GeoDict vorher nur für lineare Deformationen möglich war, ist jetzt in GeoDict 2021 auch für die nichtlinearen, plastischen Deformationen nutzbar. So lässt sich schnell ein Trend der Eigenschaften in der Mikrostruktur feststellen. Durch das Downsampling wird die Mikrostruktur intern reduziert. Entsprechend wird auch der Speicherbedarf reduziert und die Berechnung beschleunigt.

Sie erhalten noch schneller eine Lösung, die eine sehr gute Annäherung an die Berechnung der nicht-down-gesampelten Mikrostruktur bietet. In internen Benchmarks konnten wir eine Reduktion um 97% in Laufzeit und Speicherverbrauch messen, bei einer Abweichung der Ergebnisse von 1%.

In kürzester Zeit lassen sich so aus einer großen Auswahl an favorisierten Mikrostrukturen mit hoher Genauigkeit die vielversprechendsten Kandidaten auswählen. Dadurch spart man nicht nur Zeit und Geld, sondern vergrößert auch den Umfang möglicher Materialmodelle, die in Betracht gezogen werden können.

Mit ElastoDict in GeoDict 2021 erhalten Sie einen einfach zu bedienenden mechanischen und thermischen Mikrostruktur-Löser, der in kürzester Zeit, mit weniger Speicherbedarf, große Mikrostrukturen mit hoher Präzision berechnet.